Тема 4. Современные методы и средства конструирования, моделирования и проектирования элементов и систем управления технологическим процессом, производством.
^ Лекция 7. Технические средства автоматизации конструирования, моделирования и проектирования.
7.1. Компьютер как основное средство автоматизации конструирования моделирования и проектирования.
Системы автоматизированного проектирования (САПР) позволяют осуществлять черчение, конструирование и моделирование различных устройств и механизмов с помощью компьютера.
Поэтому основным техническим средством при автоматизации конструирования является современный персональный компьютер с установленным специализированным программным обеспечением - пакетом прикладных программ САПР.
Обычно персональные компьютеры IBM PC состоят из трех частей:
системного блока;
клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;
монитора (или дисплея) - для изображения текстовой и графической информации.
Компьютеры выпускаются и в портативном варианте - в “блокнотном” (ноутбук) или “наколенном” (лап топ). Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.
^ Промышленные компьютеры.
В отличие от офисных персональных компьютеров промышленные персональные компьютеры разработаны для работы в жестких условиях эксплуатации: наличие пыли, экстремальных механических и климатических воздействий, а также интенсивного электромагнитного излучения.
Наиболее известные производители промышленных компьютеров - фирмы IBM, Texas Micro, Siemens, Octagon Systems, Advantech и др.
Промышленные компьютеры обычно снабжены высокоскоростными охлаждающими вентиляторами и воздушными фильтрами, которые обеспечивают принудительную приточно-вытяжную вентиляцию внутри шасси. Постоянный приток воздуха создает избыточное давление внутри корпуса. Подобная система вентиляции предотвращает попадание в корпус пыли и обеспечивает его охлаждение. Эти меры обеспечивают надежную работу компьютера в широком диапазоне окружающих температур. Промышленные компьютеры С, а Octagon Systems - в°Advantech работают в диапазоне температур 0 - 50 диапазоне от -40 до С.°85
Большинство промышленных компьютеров поставляются с фиксирующими приспособлениями для плат и ударозащищенными отсеками для дисковых накопителей. Прижимные планки надежно фиксируют платы расширения в слотах шины ISA/PCI. Виброударостойкие отсеки для НЖМД и НГМД повышают их срок службы в тяжелых промышленных условиях. Часто вместо обычного НЖМД используются диски на базе флэш-памяти.
Электромагнитное излучение (ЭМИ) является общей проблемой для промышленности. Почти все промышленные компьютеры изготовлены из высококачественной стали со специальным покрытием для защиты от ЭМИ. Источники питания также невосприимчивы к выбросам напряжения в сети, перенапряжениям и колебаниям напряжения, обеспечивая стабильность выходного напряжения. Для улучшения надежности применяются дублированные источники питания с “горячей” заменой.
Сочетание пассивных объединительных плат и промышленных процессорных плат обеспечивает совершенную конфигурацию для промышленной автоматизации, основанной на IBM PC совместимых компьютерах. Эта архитектура обеспечивает гибкость и упрощает модернизацию и эксплуатацию изделия.
^ Пассивные объединительные платы обеспечивают возможность установки плат ISA и PCI в различных сочетаниях. Например, фирма Advantech предоставляет широкий ряд пассивных объединительных плат с числом гнезд расширения от 3 до 20. Эти платы характеризуются поддержкой одной или нескольких систем в пределах одного конструктива.
Все фирмы, выпускающие промышленные компьютеры, предлагают широкий набор плат расширения и периферийных устройств.
^ Промышленные процессорные платы, как правило, имеют сторожевой таймер, который непрерывно следит за работой системы. В случае непредвиденной остановки функционирования системы сторожевой таймер генерирует аппаратный сигнал сброса. Промышленные процессорные платы являются 100% совместимыми с системными платами общего назначения. Их цельная конструкция включает множество расположенных на плате дополнительных устройств и контроллеров, таких как твердотельные диски, интерфейсы VGA/ЖКИ, SCSI, Ethernet, дополнительные последовательные порты (до 6-ти) и т.д.
Отказоустойчивым промышленным компьютером является компьютер, снабженный системой обнаружения неисправности шасси и выдачи сигнала тревоги. Контролируется исправность источника питания, вентиляторов и температура внутри блока. При возникновении неисправности блок предупреждает пользователя о необходимости текущего ремонта путем подачи звукового или светового сигнала. Как правило, вычислительная система будет по-прежнему работать некоторое время, несмотря на отказ.
Как правило, промышленные компьютеры очень надежны. Например, процессорные платы фирмы Octagon Systems имеют среднее время наработки на отказ от 10 до 26 лет, а периферийные платы - свыше 100 лет.
Периферийные платы отличаются большим разнообразием. Например, фирма Advantech предлагает платы ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов для шин ISA и PCI с количеством дискретных входов-выходов – до 192, аналоговых (ЦАП, АЦП) – до 32, в том числе с гальванической развязкой от источников (приемников) сигналов, платы расширения интерфейсов RS-232/422/485/токовая петля с количеством каналов до 8-ми, платы счетчиков-таймеров, квадратурных преобразователей, 3-х и 4-х координатного управления шаговыми двигателями и т.д.
Это позволяет вводить в компьютер информацию от датчиков любого типа и управлять различными исполнительными механизмами.
В системном блоке располагаются все основные узлы компьютера:
электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройств и т.д.);
блок питания, который преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
накопители (дисководы) для гибких магнитных дисков (НГМД) (дискет);
накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) - “винчестер”;
другие устройства.
К системному блоку IBM PC можно подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности.
Многие устройства располагаются вне системного блока и подсоединяются к нему через разъемы, обычно находящиеся на задней стенке блока. Такие устройства обычно называются внешними. Кроме монитора и клавиатуры это:
принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;
мышь или трекбол - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;
джойстик - манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой;
другие устройства.
Некоторые устройства могут встраиваться внутрь системного блока и поэтому называются внутренними, например:
модем или факс-модем - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть (факс-модем может также получать и передавать факсы);
дисковод для компакт-дисков;
звуковая карта - для записи и воспроизведения звуков (музыка, голос и т.д.).
Для управления работой устройств в IBM PC-совместимых компьютерах используются специальные электронные схемы - контроллеры. Различные устройства используют разные способы подключения к контроллерам.
Самым главным элементом в компьютере является микропроцессор - интегральная микросхема, выполняющая все вычисления и обработку информации.
В IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм (AMD, Cyrix, IBM и др.). Одинаковые модели могут иметь разную тактовую частоту - чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Например, процессоры семейства Pentium производства Intel выпускаются с тактовой частотой свыше 4 ГГц.
На рынке Украины доминирующее положение занимают два производителя – Intel и AMD, компьютеры в большинстве случаев комплектуются процессорами Duron, Sempron, Athlon фирмы AMD или Celeron, Pentium-IV фирмы Intel.
Электронная начинка IBM PC, как правило, выполняется из нескольких модулей -электронных плат. Каждая плата представляет собой кусок пластика (стеклотекстолит), на котором укреплены электронные компоненты (микросхемы, конденсаторы и т.д.) и различные разъемы.
Самой большой электронной платой является системная, или материнская, плата. На ней обычно располагаются основной микропроцессор, оперативная память, кэш-память, шины, BIOS и интегрированные контроллеры.
Неинтегрированные контроллеры выполняются в виде отдельных электронных плат и вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате. При вставке в слот контроллер подсоединяется к шине магистрали передачи данных между контроллерами и оперативной памятью. В современных компьютерах обычно имеется две шины: ISA - для контроллеров низкоскоростных устройств, и PCI - для контроллеров высокоскоростных устройств. В последнее время в материнских платах появился специальный слот AGP - для видеоадаптера.
Блок-схема устройства современного IBM PC-совместимого компьютера приведена рис.7.1.
Наряду с самим компьютером важную роль при автоматизации конструирования играют различные устройства ввода-вывода графической и текстовой информации.
7.2. Устройства вывода информации из компьютера, используемые в САПР.
Принтеры.
Матричные принтеры обеспечивают значительно худшее качество печати, чем другие типы, сильно шумят при работе, но широко применяются, так как недороги и стоимость отпечатанной страницы у них самая низкая. Принцип действия: печатающая головка содержит вертикальный ряд тонких металлических стержней (иголок), головка движется вдоль печатаемой строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту.
Рис.7.1. Блок-схема устройства компьютера.
Струйные принтеры - изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выбрасываемых на бумагу через сопла в печатающей головке. В отличие от матричных принтеров, струйные работают с гораздо меньшим шумом, обеспечивают лучшее качество печати и самую дешевую цветную печать приемлемого качества.
Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее качество печати. Используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски (тонера). Отличие от обычного ксерокса состоит в том, что печатающий барабан электризуется с помощью лазера по командам компьютера. Обеспечивают самую высокую среди всех принтеров скорость печати, работают практически бесшумно и не требуют специальной бумаги.
Плоттеры - устройства для вывода чертежей, графиков, диаграмм и т.д. с использованием пишущего узла типа “перо”. Отличаются по формату используемой бумаги и количеству перьев. Различают планшетные плоттеры (бумага неподвижна, перо перемещается по двум осям) и плоттеры, использующие перемещение бумаги по одной оси и перемещение пера - по другой. Современные плоттеры снабжены восемью перьями различных типов и могут быть использованы для черчения как на бумаге, так и на кальке или пленке. Стандартом в области плоттеров является фирма “Hewlett Packard” и графический язык HPGL - стандарт для промышленности.
7.3. Устройства ввода информации.в компьютер, используемые вСАПР.
Дигитайзеры. С их помощью осуществляется ввод координат в компьютер. Практически являются той же мышью, но с визирной сеткой для точного передвижения манипулятора по желаемой траектории. Используются для оцифровки кривых, например при вводе изображения карт.
^ Кодирующие (графические) планшеты (Art Pad). Электронное “перо” художника (конструктора): вводит в компьютер движения карандаша по планшету, в том числе учитывается, с какой силой осуществляется нажим на перо. “Карандаш” не имеет механической связи с поверхностью планшета.
Сканеры. Устройства для ввода графических изображений в компьютер. Могут быть ручными, планшетными или предназначаться для ввода изображений со слайдов. Различаются по максимально разрешимому количеству линий, по числу передаваемых уровней цвета, по возможности ввода цветных иллюстраций.
^ Цифровые фотокамеры. Выполняют ту же функцию, что и сканеры, но в «безбумажном» варианте. Отснятое изображение сохраняется в памяти устройства, а затем через последовательный порт (обычно USB) вводится в компьютер.
Лекция 8. Программные средства автоматизации конструирования, моделирования и проектирования (Ч1).
8.1. Пакеты прикладных программ САПР.
САПР - признанная область применения вычислительной техники. Компьютер может предоставить конструкторам и технологам полный набор возможностей САПР и, освободив их от рутинной работы, дать возможность заниматься творчеством, что резко повышает производительность труда.
Приближение САПР к конструктору позволило резко повысить производительность самих САПР, распространение которых сдерживалось трудностью алгоритмизации конструкторских задач. Действительно, невозможно к каждому конструктору “приставить” программиста. Это противоречие может быть устранено только широким распространением прикладных программных средств, “общающихся” с конструктором на “естественном” языке. Следует отметить, что это справедливо не только для компьютерной графики. Практически все современное программное обеспечение ориентируется на пользователя, дружелюбно общаясь с ним понятным ему способом и предоставляя ему полную свободу действий. Такое “общение” человека с компьютером возможно только в интерактивном (диалоговом) режиме, когда пользователь тут же на экране видит результат своих действий. САПР также ориентированы на работу в интерактивном режиме, предоставляя проектировщику оперативный доступ к графической информации, простой и эффективный язык управления ее обработкой с практически неограниченными возможностями контроля результатов. В первую очередь это относится к графическому диалогу, поскольку именно графика (чертежи, схемы, диаграммы и т.п.) как наиболее эффективный способ представления информации, занимает привилегированное положение в САПР. Таким образом удается автоматизировать самую трудоемкую часть работы - по оценкам специалистов конструкторских бюро, в процессе традиционного проектирования на разработку и оформление чертежей приходится около 70% от общих трудозатрат конструкторской работы (15% - на организацию и ведение архивов, и 15% - собственно на проектирование, включающее в себя разработку конструкции, расчеты, согласование со смежными областями и т.д.).
Многие современные программные системы, ориентированные на проектирование промышленных изделий, имеют достаточно большой арсенал возможностей интерактивной графики, обеспечивая возможность создания и редактирования двумерных изображений, состоящих из проекций изделия, штриховки, размеров и т.д., а также формирования реалистичных трехмерных изображений проектируемых изделий, построенных из исходных данных чертежа с удалением невидимых линий, с учетом различных способов освещения, задания параметров структуры поверхностей и т.п. При этом САПР предоставляют принципиально недостижимые ранее возможности. Фактически конструктор попадает в новую среду - среду компьютерной графики. И качество пакета САПР едва ли не в первую очередь определяется тем, насколько труден для конструктора переход к новой технологии при использовании того или иного пакета.
В настоящее время существует огромное количество САПР различной сложности и назначения. Очевидно, что пользователь будет выбирать систему, согласовывая необходимость графических возможностей со стоимостью системы и технических средств, которые обладают требуемыми возможностями. Например, стоимость АРМ (“workstation”) Apollo или SAN, обладающих всеми мыслимыми на сегодняшний день возможностями, существенно выше стоимости любого обычного ПК - это просто другой класс машин. Для большинства чертежно-конструкторских работ требуются более скромные, однако все же достаточно широкие возможности, и ряд систем способен их удовлетворить.
Среди систем малого и среднего класса в мире наиболее популярна система AutoCad фирмы AutoDesk, а также системы Pcad, OrCAD (разработка и моделирование электронных устройств, в основном - печатных плат), ArchiCAD (архитектура), «Базис», «Компас», «SolidWorks» (механика), каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки и предпочтительную область применения.
Фирма AutoDesk является одним из признанных лидеров в области разработки САПР, а созданный ею пакет AutoCad - одним из лучших. Это сложная и разветвленная по своей структуре система, которая в то же время легко управляется при помощи простых и ясных команд. Эта система дает пользователю ПК возможности, ранее доступные только на больших и дорогих вычислительных системах. AutoCad обладает эффективной системой ведения диалога с пользователем при помощи нескольких меню. Использование слоев также предоставляет дополнительные удобства для проектировщика, позволяя при наложении слоев с нарисованными на них изображениями отдельных деталей контролировать их совместимость при общей компоновке, а также держать “про запас” любое число различных вариантов деталей и, включая либо выключая слои, выборочно вводить их в общую компоновку. Законченные чертежи можно хранить в виде комплекта слайдов с возможностью их автоматического просмотра, причем доступность большого количества цветов делает работу с такой системой эстетически приятной.
AutoCad - универсальный графический пакет, предназначенный для любого специалиста, работающего с технической графикой. Фирма AutoDesk, ориентируясь на самый широкий круг пользователей, заложила в пакет богатые возможности адаптации к любым предметным областям. Именно поэтому AutoCad завоевал широкую популярность и продолжает сохранять свои позиции на мировом рынке.
Кроме автоматизации собственно чертежно-графических работ, AutoCad с его расширениями (AutoShade, AutoFlix, 3D-STUDIO и др.) предоставляет следующие возможности:
графическое моделирование, т.е. использование компьютера в САПР в качестве мощного вычислительного средства, позволяющего без особых навыков программирования работать со сложными пространственными моделями;
создание и ведение информационной базы данных (архива) чертежей;
создание библиотеки стандартных элементов чертежей, относящихся к какой-то предметной области, с тем чтобы строить новые чертежи из уже созданных ранее элементов;
параметризация чертежей - построение деталей и чертежей с новыми размерами на основе один раз нарисованного чертежа (модели);
создание демонстрационных иллюстраций и мультфильмов.
Фирма AutoDesk на протяжении нескольких лет совершенствует свою систему - в настоящее время существует несколько версий, отличающихся своими функциональными возможностями. Все они совместимы “снизу вверх”, т.е. чертежи, созданные на ранних версиях, обрабатываются на более поздних. Наиболее широко сейчас используются версии с 10-й по 14-ю. Последняя версия AutoCAD 2000.
КОМПАС 5 представляет собой современный программный продукт, функционирующий под управлением операционной системы Windows 95/98/NT.
Система имеет настраиваемый оконный интерфейс, соответствующий стандартам Windows, и управляется с помощью команд текстового меню, панелей кнопок, контекстно-зависимых (динамических) меню. Оформление экрана, состав кнопочных панелей и любые параметров системы могут быть настроены непосредственно во время сеанса работы. Пользователь может формировать собственные кнопочные панели, в том числе подключая функции прикладных библиотек в качестве команд.
Поддерживается одновременная работа с несколькими документами, а также отображение каждого документа в нескольких окнах. Реализованы различные режимы резервного копирования загруженных документов.
Печать разработанных документов может выполняться на любых устройствах (принтерах или плоттерах), поддерживаемых Windows. Реалистичное изображение документов в режиме предварительного просмотра позволяет скомпоновать на поле вывода и распечатать одновременно несколько документов. Обеспечена гибкая настройка всех параметров печати. В состав системы входит утилита для разработки собственных драйверов перьевых устройств вывода (плоттеров).
КОМПАС 5 поддерживает технологию OLE, что позволяет вставить документы КОМПАС в любой документ, являющийся OLE-контейнером (например, в документ MS Word). Созданный таким образом OLE-объект в дальнейшем можно просматривать при помощи КОМПАС-Viewer или редактировать средствами КОМПАС. Если при вставке OLE-объекта сохранена связь с источником, то все вносимые в источник изменения будут отражаться в документе-контейнере.
Основными компонентами КОМПАС 5 являются КОМПАС-ГРАФИК – редактор конструкторской документации и КОМПАС-3D – система трехмерного твердотельного моделирования.
Графический редактор позволяет разрабатывать выпускать различные документы — эскизы, чертежи, схемы, плакаты и т.д. В системе предусмотрены два вида графических документов — чертежи и фрагменты. Чертеж обладает рамкой и основной надписью, в нем можно создавать до 255 видов (проекций, разрезов, сечений), имеющих разный масштаб изображения. На листе чертежа могут быть размещены спецификация, технические требования, знак неуказанной шероховатости. Фрагмент содержит изображение в натуральную величину без элементов оформления (рамки, технических требований и т.п.).
Любой вид чертежа или фрагмент может содержать до 255 слоев, каждый из которых можно делать текущим или недоступным для редактирования или невидимым.
Рис.8.1. Экранная форма КОМПАС.
КОМПАС-ГРАФИК позволяет работать со всеми типами графических примитивов, необходимыми для выполнения любого построения. К ним относятся точки, прямые, отрезки, окружности, эллипсы, дуги окружностей и эллипсов, многоугольники, ломаные линии, кривые NURBS (в том числе кривые Безье). Разнообразные способы и режимы построения этих примитивов (например, команды создания фасок, скруглений, эквидистант, построения отрезков и окружностей, касательных к объектам и т.п.) избавляют пользователя от необходимости производить сложные вспомогательные построения. Для ускорения построений можно использовать локальные системы координат, разномасштабную сетку и механизм объектных привязок.
Одной из самых сильных сторон КОМПАС-ГРАФИК по-прежнему является полная поддержка ЕСКД. Поддерживаются стандартные (соответствующие ЕСКД) и пользовательские стили линий и штриховок. Реализованы все типы линейных, угловых, радиальных и диаметральных размеров (включая наклонные размеры, размеры высоты и размеры дуги). Автоматически выполняются простановка допусков и подбор квалитета по заданным предельным отклонениям. Среди объектов оформления — все типы шероховатостей, линий-выносок, обозначения баз, допусков формы и расположения поверхностей, линии разреза и сечения, стрелки направления взгляда, штриховки, тексты, таблицы.
В графический документ КОМПАС-ГРАФИК может быть вставлено растровое изображение формата BMР, РCX, DCX, JРEG, TIFF. При вставке растрового объекта возможно задание его масштаба и угла поворота.
Текстовый редактор КОМПАС-ГРАФИК позволяет выпускать различные текстовые документы — расчетно-пояснительные записки, технические условия, инструкции и т.д. Текстовый документ является отдельным типом документа КОМПАС.
Модуль проектирования спецификаций КОМПАС-ГРАФИК позволяет выпускать разнообразные спецификации, ведомости и прочие табличные документы. Спецификация является отдельным типом документа КОМПАС-ГРАФИК.
Многие функциональные возможности модуля разработки спецификаций КОМПАС-ГРАФИК заимствованы из логики и технологии разработки "бумажных" спецификаций.
При заполнении документа на экране пользователь видит стандартную таблицу спецификации и может вводить данные в ее графы.
Приложения КОМПАС: средства разработки приложений КОМПАС-МАСТЕР, машиностроительная библиотека, интегрированные системы проектирования тел вращения КОМПАС-SHAFT Plus и цилиндрических пружин КОМПАС-SPRING, библиотеки элементов гидравлических и пневматических схем, станочных приспособлений, электрических и кинематических схем, архитектурно-строительная библиотека, инструментальные средства ведения типовых проектов, система проектирования металлоконструкций, пакеты библиотек «Элементы инженерных коммуникаций», «Элементы химических производств», «Электроснабжение», «Автоматизация технологических процессов», «Коммутационные устройства», библиотека трубопроводной арматуры, библиотека «Строительные конструкции. Профили», справочник конструкционных материалов, электронный справочник по подшипникам качения.
8.2. SCADA-системы.
В большинстве случаев АСУ ТП являются системами организационно-техническими, что означает наличие функций, выполняемых человеком (оператором, диспетчером).
Несколько десятков лет назад эти функции заключались в основном в наблюдении за контрольно-измерительными приборами и непосредственном ручном управлении технологическим процессом.
После того как компьютеризация достигла производственного сектора, на рабочих столах операторов стали появляться компьютеры, где взаимодействие между оператором и технологическим процессом осуществляется с помощью программного обеспечения, получившего общее название SCADA.
“SCADA-система” (Supervisory Control And Data Acquisition System) - система сбора данных и оперативного диспетчерского управления. В названии присутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA-систему:
сбор данных о контролируемом технологическом процессе;
управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе собранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность и безопасность технологического процесса.
Если попытаться коротко охарактеризовать основные функции, то можно сказать, что SCADA-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, в котором это необходимо и возможно.
Необходимо различать программное обеспечение SCADA, функционирующее в составе АСУ ТП конкретного объекта, и набор инструментальных программных средств, предназначенный для разработки такого программного обеспечения.
SCADA-системы позволяют значительно ускорить процесс создания ПО верхнего уровня АСУ ТП, не требуя при этом от разработчика знаний современных процедурных языков программирования общего назначения. Не секрет, что в тонкостях автоматизируемого технологического процесса разбирается только технолог или другой представитель технологического персонала, как правило, не обладающий навыками программирования. SCADA-система должна быть доступной не только для разработчика, но и для конечного пользователя создаваемой АСУ ТП, поскольку облик системы определяется и может подвергаться изменениям как разработчиком, так и пользователем.
Помимо доступности, SCADA-системе должна быть присуща максимальная открытость - наличие универсальных и общепринятых механизмов обмена данными с аппаратурой ввода-вывода.
Умеренная цена и эффективное использование вложенных средств - стоимость системы, затраты на освоение и стоимость работ по созданию, сопровождению и развитию АСУ ТП должны быть минимальными. При прочих равных условиях данное требование является наиболее существенным при выборе SCADA-системы.
8.3. Инструментальная среда разработки приложений сбора данных и управления Genie.
Genie является инструментальной средой разработки приложений сбора, обработки и графического представления данных и управления, которая содержит множество встроенных функциональных блоков и графических элементов отображения, позволяющих существенно сократить затраты на разработку программного обеспечения для систем промышленной автоматизации. Разработка приложения заключается в выборе соответствующих функциональных блоков, установлении логических связей между ними, создании графического интерфейса оператора и настройке форм отчетов.
Разработана фирмой Advantech, специализирующейся на выпуске промышленных компьютеров и других средств автоматизации и сбора данных. Разработкой этой системы фирма “замкнула” цикл, то есть поставляет и технические средства, и программное обеспечение, необходимое для создания промышленных информационно-управляющих систем. В качестве примера рассматривается учебная версия - Genie для Windows v3.04.
Требования к аппаратно-программной платформе - весьма умеренные.
Функциональные возможности: центр обработки данных с открытой архитектурой; программирование на языке сценариев, совместимом с Visual Basic для приложений (VBA); использование мультизадачности при реализации алгоритмов сбора данных и управления; объектно-ориентированная графика; стандартный интерфейс пользователя, принятый в Windows; разработка приложений с использованием функциональных блоков; настраиваемый редактор отчетов; отображение, управление и обработка данных в реальном масштабе времени; построение графиков контролируемых параметров в реальном масштабе времени; управление доступом к системной информации и органам управления; обработка событий/тревог; связь с другими приложениями Windows посредством механизма DDE; интерфейс прикладного программирования посредством OLE Automation; библиотеки динамической компоновки, создаваемые пользователем; возможность организации сетевого взаимодействия; поддержка протоколов DeviceNet и CANOpen.
Основные области применения: системы сбора данных и диспетчерского управления; автоматизация производственных участков; создание АРМов технолога; автоматизация лабораторных измерений; измерительные комплексы; системы и комплексы автоматизации испытаний.
Пакет имеет встроенную среду разработки программных сценариев, совместимую с Microsoft VB и VBA, обеспечивающую разработчика системы мощным набором инструментов, который называется редактором сценариев (Script Designer). Редактор сценариев содержит множество функций VBA, а также методов сбора и обработки данных, которые позволяют реализовывать прикладные алгоритмы практически любого уровня сложности. В VBA реализована и постоянно расширяется поддержка многих функций ОС Windows: механизмы динамического обмена данными (DDE) и связывания и внедрения объектов (OLE Automation); функции открытого взаимодействия баз данных (ODBC).
Открытость архитектуры Genie гарантирует пользователю возможность интеграции пакета с корпоративной системой, внедренной или внедряемой на предприятии.
Для уменьшения времени разработки программного обеспечения при сохранении его соответствия показателям назначения и обеспечении легкости последующего сопровождения и модернизации в Genie имеются специальные графические средства разработки и представления данных, которые называются редактор задач (Task Designer) и редактор форм отображения (Display Designer). Примеры экранных форм этих редакторов приведены на рис.8.1. и 8.2. В редакторе задач используется информационно-поточная модель программирования, которая значительно удобнее для восприятия и алгоритмической интерпретации, чем традиционная линейная архитектура текстовых языков программирования. При разработке приложения пользователем создается блок-схема стратегии без фиксации внимания на различных логических и синтаксических соглашениях, характерных для стандартного программирования. Объекты (пиктограммы функциональных блоков) выбираются из панели инструментов редактора задач (рис.8.3) и соединяются между собой для передачи данных от одного блока к другому. При необходимости создания графического интерфейса оператора редактор форм отображения обеспечивает возможность разработки удобных для восприятия экранных форм отображения в кратчайшие сроки посредством входящих в пакет стандартных элементов отображения (рис.8.4 и 8.5). Кроме того, указанный графический интерфейс оператора может быть усовершенствован с помощью специальных инструментов рисования и элементов отображения, определяемых пользователем. Библиотеки встроенных функциональных блоков и элементов отображения включают в себя наиболее часто используемые в промышленной автоматизации функции сбора, обработки и графического представления данных. Пример результата разработки интерфейса оператора для контроля нагрузки конвейера и учета количества сыпучих материалов приведен на рис.8.6.
Редактор задач пакета Genie позволяет редактировать множество задач одновременно. Каждая задача отображается в своем окне и имеет свои собственные параметры: период сканирования, методы запуска/останова и др. Genie 3.04 поддерживает до 8 задач.
Рис.8.2. Редактор задач Genie. Рис.8.3. Редактор форм отображения Genie.
Рис.8.4. Панель инструментов Рис.8.5. Панель инструментов редактора
редактора задач Genie. форм отображения Genie.
Рис.8.6. Меню элемента формы Рис.8.7. Пример интерфейса оператора
отображения Genie. конвейерной линии в Genie.
Редактор отчетов (Report Designer) пакета Genie предоставляет конфигурируемую среду разработки, в которой пользователи могут определять требуемое содержание отчета, представляющего необходимые данные в определенные моменты времени с последующей автоматической печатью в заданное время. Интерфейсы, предоставляемые редактором отчетов, могут также использоваться для выбора и печати отчетов вручную.
Редактор отчетов обеспечивает выполнение пяти основных функций: сбор данных, конфигурирование формата отчета, составление расписания отчета, генерацию отчета событий и генерацию отчета тревог.
Подсистема регистрации событий пакета Genie позволяет осуществлять непрерывный контроль состояния технологического процесса и системы сбора данных, а также заблаговременно предупреждать возможные отклонения в ходе технологического процесса и функционирования аппаратно-программных средств системы. Гибкие возможности конфигурирования пороговых и предельных значений параметров позволяют реализовать множественные условия, по которым идентифицируются аварийные ипредаварийные ситуации. Аварийные значения могут быть отображены, зарегистрированы, сохранены в архиве с добавлением метки времени, а также подтверждены оператором в реальном масштабе времени. Кроме того, протокол аварийных событий может быть отображен на экране монитора или выведен на печатающее устройство для получения твердой копии.
В настоящее время фирмой Advantech разработана более совершенная версия GenieDAQ 4.11.
Лекция 9. Программные средства автоматизации конструирования, моделирования и проектирования (Ч2).
9.1. Краткая характеристика SCADA-систем RTWin, TRACE MODE, GENESIS32.
RTWin представляет собой мощный и гибкий инструмент для проектирования систем контроля и управления (СКУ) технологическими процессами, предоставляющий разработчику все возможности для создания мощной распределенной и масштабируемой СКУ, функционирующей в реальном масштабе времени. RTWin разработан как универсальная система, которая может найти применение в различных областях промышленности. Как интегрированный пакет, обеспечивающий полный цикл разработки и функционирования СКУ, RTWin состоит из:
среды разработки, включающей редакторы ресурсов для проектирования СКУ;
среды исполнения, включающей администраторы соответствующих ресурсов и обеспечивающей функционирование СКУ.
RTWin в полной мере использует все преимущества QNX - эффективной и надежной сетевой операционной системы (ОС). В качестве среды визуализации используется графический интерфейс Photon microGUI. RTWin - единственный пакет данного класса, для QNX, разработанный в России.
TRACE MODE 5 для Windows NT (разработчик - фирма AdAstra, г.Москва) представляет собой SCADA-систему нового поколения, имеющую следующие основные особенности:
обеспечение единых инструментальных средств (единой линии программирования) как для разработки операторских станций, так и для программирования контроллеров;
разработка распределенной АСУ ТП как единого проекта;
технология автопостроения проекта.
Разработанные в инструментальной системе TRACE MODE 5 язык функциональных блоков (Техно FBD) и язык инструкций (Техно IL) включают набор из более чем 150 элементарных и библиотечных функций. Среди встроенных алгоритмов ПИД, ШИМ-преобразование, динамическая балансировка, алгоритмы массового обслуживания, блоки моделирования объектов, произвольно программируемые алгоритмы, арифметические, алгебраические, логические, тригонометрические, статистические функции, а также функции расчета технико-экономических показателей и т.д. Добавлен ряд функциональных блоков, ориентированных на контроль и управление типовыми технологическими объектами (клапан, задвижка, привод и т.д.). Кроме того проектировщик имеет возможность наращивать библиотеки языков своими собственными функциями, учитывающими особенности задач, решаемых в его проектах.
Суть автопостроения заключается в автоматическом генерировании баз каналов операторских станций и контроллеров, входящих в проект АСУ ТП, на основе информации о числе точек ввода/вывода, номенклатуре используемых контроллеров и устройств сопряжения, наличии и характере связей между ПК и контроллерами. Благодаря автопостроению разработка АСУ ТП сводится к следующим несложным процедурам:
размещение в рабочем поле редактора базы каналов TRACE MODE 5 значков (объектов) контроллеров и операторских ПК;
указание наличия информационного обмена между узлами;
запуск автопостроения проекта;
задание математической обработки данных и алгоритмов управления.
Разработка графического интерфейса операторских станций осуществляется в объектно-ориентированном редакторе представления данных. Среди графических элементов, которые могут быть размещены на экранах графических баз, можно выделить три типа:
статические элементы (неизменяемые элементы мнемосхем);
динамические формы отображения и управления (кнопки, тренды, гистограммы, анимация и т.д.);
графические объекты.
Графические объекты могут включать в себя неограниченное количество статических элементов рисования и динамических форм отображения. Они вставляются в экраны в виде одного элемента.
GENESIS32 - комплект инструментальных средств фирмы ICONICS для создания программного обеспечения верхнего уровня АСУ ТП, который основан на новейшем открытом стандарте взаимодействия аппаратуры и программных средств разных производителей ОРС (OLE for Process Control). ОРС (механизм связывания и внедрения объектов для сбора данных и управления в системах промышленной автоматизации) является наиболее общим способом организации взаимодействия между различными источниками и приемниками данных, такими как устройства, базы данных и системы визуализации информации о контролируемом объекте. ОРС обеспечивает интерфейс между приложениями-клиентами и серверами путем реализации стандартного механизма связи между источниками данных (серверами) и получателями данных (клиентами). Иными словами, ОРС является аналогом технологии Plug-n-Play для программного обеспечения в сфере промышленной автоматизации. Стандарт ОРС основан на решениях, предлагаемых компанией Microsoft в рамках операционной системы Windows.
GENESIS32 включает в себя следующие приложения, являющиеся клиентами ОРС: GraphWorX32, TrendWorX32, AlarmWorX32, а также содержит среду разработки сценарных процедур VBA Scripting. Кроме того, в состав пакета входит сервер системного администрирования Security Config и сервер фоновой архивации данных Persistent Trending.
GraphWorX32 является инструментальным средством, предназначенным для визуализации контролируемых технологических процессов и оперативного диспетчерского управления на верхнем уровне АСУ ТП. Основные характеристики:
многопоточное 32-разрядное приложение;
возможность обмена данными с любыми серверами ОРС;
мощные инструменты для создания экранных форм и динамических элементов отображения;
возможность встраивания элементов управления ActiveX и объектов OLE;
средства разработки шаблонов экранных форм, содержащих наиболее часто используемые слои графических объектов;
возможность встраивания в HTML-страницы и серверы OLE (MS Word, MS Excel и др.);
возможность просмотра браузерами Интернет;
обширная библиотека элементов отображения, ориентированных на построение мнемосхем промышленных объектов;
возможность встраивания графиков и журналов событий и тревог;
средства импорта графических метафайлов (WMF) и растровых изображений (BMP).
TrendWorX32 является многооконным приложением, которое предназначено для выполнения следующих функций:
представление контролируемых параметров в виде графиков (трендов) различных типов в реальном масштабе времени;
архивирование значений контролируемых параметров;
вычисление статистических характеристик выборок значений контролируемых параметров;
извлечение значений контролируемых параметров из архивов и представление в виде графиков различных типов;
вывод графиков на печатающее устройство.
Поддерживаются следующие виды трендов:
зависимость параметра от времени (с использованием единиц времени по горизонтальной или вертикальной осям);
гистограмма параметра;
логарифмическая зависимость параметра от времени;
зависимость одного параметра от другого.
AlarmWorX32 является мультимедийным приложением, которое предназначено для выполнения следующих функций:
голосовое оповещение персонала об обнаруженных аварийных ситуациях;
рассылка электронных извещений об аварийных событиях посредством пейджинговой связи и электронной почты;
оповещение персонала путем автоматического дозвона по коммутируемым каналам связи с передачей сообщений об аварийных событиях и приемом подтверждений восприятия от ответственных лиц;
персональное планирование оповещений для привлечения к мероприятиям по устранению аварийных ситуаций;
анализ аварийных событий и действий ответственного персонала;
и т.д.
9.2. Назначение, возможности и структура инструментальной среды “Delphi”.
Delphi представляет собой систему быстрой разработки приложений, пригодную для создания прототипов и законченных приложений Windows, которые можно сравнить (или они даже превосходят их по скорости и эффективности) с программами, написанными на С, С , Borland Pascal 7.0 или Visual Basic, а также с программами, созданными другими средствами.
В основе Delphi лежит язык программирования Object Pascal фирмы Borland, но для создания простейших приложений совершенно необязательно быть программистом на Pascal. По мере разработки приложения Delphi визуальным способом автоматически создает соответствующие Pascal-операторы для будущей программы.
Приложение Delphi состоит из одной или нескольких форм, в которые разработчик помещает визуальные компоненты, и имеет возможность модифицировать свойства компонентов и самих форм, а также создавать Pascal-процедуры, обрабатывающие различные события, происходящие в системе.
При запуске созданного приложения Delphi компилирует и компонует исходный код и другие модули для создания исполняемого файла с расширением .exe. Это единственный файл, являющийся результатом разработки, который разработчику необходимо предоставить пользователю созданной программы.
В интегрированную среду разработки Delphi (можно назвать интерфейсом разработчика) входит несколько основных компонентов (рис.9.1).
^ Панель инструментов, как, например, и в текстовом редакторе Word, содержит кнопки (пиктограммы), работающие по принципу “укажи и щелкни” и выполняющие некоторые команды меню.
^ Главное меню - стандартное меню в стиле Windows.
Форма - во многих приложениях - визуальное изображение главного окна разрабатываемой программы. Форма может представлять и другие окна, например диалоговое окно или дочернее окно в программах с многодокументальным интерфейсом. Простые программы имеют только одну форму, а более сложные приложения могут обладать множеством таких форм. Точечная сетка помогает выравнивать помещаемые на форму компоненты. В скомпилированном приложении сетка не появляется.
^ Палитра компонентов представляет собой каталог визуальных и прикладных объектов, которые могут быть включены в создаваемые формы (например, интерфейс пользователя) и приложения. Чтобы поместить необходимые компоненты в создаваемую форму, необходимо просто перенести их с палитры компонентов. Компонент, помещенный один раз, становится истинным объектом, готовым для выполнения любой намеченной инструкции.
^ Закладки страниц палитры. Поскольку различных компонентов в рассматриваемой системе разработки великое множество, все их пиктограммы отобразить на экране одновременно не представляется возможным. Поэтому они разделены на группы, или страницы. При активном состоянии одной из закладок, в области расположения пиктограмм палитры компонентов появляются пиктограммы, соответствующие определенной странице или классу компонентов. В Delphi существует восемь категорий компонентов (и соответственно - восемь закладок):
стандартная страница (Standard) содержит наиболее часто употребляемые компоненты, которые фигурируют во всех программах Windows. Эти компоненты обычно имеют однозначную связь со стандартными объектами Windows;
дополнительныя страница (Additional) содержит несколько более специфический набор компонентов, которые при работе с базовыми приложениями Windows могут и не встретится;
доступ к данным (Data Access) содержит компоненты, позволяющие присоединить и запросить данные;
управление данными (Data Controls) – на этой странице расположена та часть интерфейса пользователя, которая связана с данными. Имеются компоненты, которые позволяют представлять данные любым способом, принятым в Windows;
диалоги (Dialogs) – на этой странице можно найти описание диалоговых панелей для выполнения таких задач общего характера, как открытие файла, установка принтера, поиск текста и т.д.;
системная (System) – содержит визуальные и невизуальные компоненты для таймера, дисковода, компоненты доступа к файлам, а также компоненты OLE и DDE;
страница стандарта VBX (Visual Basic eXtentions). VBX – это компоненты, которые следуют определенному фирмой Microsoft формату для использования в Visual Basic. Формат VBX стал стандартом и поддерживается многими средами разработки, включая Delphi. Все относящееся к VBX может быть импортировано в Delphi;
образцы (Samples) – ассортимент компонентов, которые поставляются для демонстрации того, как компоненты VBX могут быть добавлены к палитре.
^ Окно Object Inspector отображает свойства (или события) одного или нескольких выбранных компонентов (или форм). Несмотря на кажущуюся простоту, это окно - одно из самых важных средств программирования Delphi.
^ Окно редактирования модуля содержит текст программы на языке Pascal, связанный с каждой формой в приложении. Delphi автоматически создает этот программный код, в который можно добавить операторы, выполняемые при выборе команды меню или щелчке по кнопке.
^ Закладки страниц Properties и Events (свойства и события). Предназначены для перехода от свойств формы к событиям или наоборот, и располагаются в нижней части окна Object Inspector. Свойство представляет атрибут компонента, например размер кнопки или шрифт метки. Событие обозначает различные действия, такие как нажатие кнопки или щелчок мышью.
Первым этапом при создании пользовательских приложений а среде Delphi обычно является разработка пользовательского интерфейса (для информационно-управляющих систем - интерфейса оператора). С помощью визуальных компонентов Delphi можно создать самые разные панели инструментов, строки состояния, индикаторы и т.д. На рис.9.2. приведен пример фрагмента интерфейса диспетчера обогатительной фабрики (участок приемки угля от шахты).
Рис.9.1. Интерфейс разработчика Delphi 4.57. Рис.9.2. Фрагмент интерфейса диспетчера
обогатительной фабрики.
При разработке самого приложения обычно возникает необходимость создания нестандартных графических форм. В Delphi с помощью определенных свойств (например, Canvas) имеется возможность нарисовать любую фигуру, какую только можно себе вообразить.
Delphi имеет средства для разработки многодокументных интерфейсов (MDI), приложений, связанных с передачей данных, а также средства, поддерживающие динамический обмен данными (DDE), связывание и внедрение объектов (OLE), и, кроме того, позволяет создавать программное обеспечение для практически всех типов баз данных.
В настоящее время существует несколько версий Delphi, отличающиеся в основном набором компонентов. Разработкой отдельных компонентов для Delphi занимаются многие разработчики ПО. В результате доступны (Internet или CD) тысячи готовых компонентов, которые могут быть использованы в конкретной разработке. Начиная со второй версии Delphi может работать только под Windows 95 и выше.
ЛИТЕРАТУРА
- Стехин А.П. Основы конструирования, моделирования и проектирования систем управления производственными процессами: Учеб. пособие. – Донецк: ДонГАУ, 2002.
- Лукас В.А. Основы теории автоматического управления. -М.: “Недра”, 1977.
- Основы теории оптимального управления: Учеб. Пособие для эконом. вузов/ В.Ф.Кротов, Б.А.Лагоша, С.М.Лобанов и др.; Под ред.В.Ф.Кротова.- М.: Высш. Шк., 1990.
- Иванилов Ю.П., Лотов А.В. Математические модели в экономике.- М.: “Наука”, 1979.
- Бергстром А. Построение и применение экономических моделей. - М.: “Прогресс”, 1970.
- Первозванский А.А. Математические модели в управлении производством. - М.: “Наука”, 1975.
- Алдохин И.П. Моделирование управления производством. - Харьков.: “Прапор”, 1975.
- Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Э.Т.Романычева, А.К.Иванова, А.С.Куликов и др.; Под.ред. Э.Т.Романычевой.- 2-е изд. - М.: “Радио и связь”, 1989.
- Кенин А.М., Печенкина Н.С. IBM PC для пользователей или как научитьсяработать на компьютере. 4-е изд. Екатеринбург.: “АРД Лтд”, 1997.
- Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. Краткий курс. - М.: ИНФРА-М, 1998.
- Погорелов В.И. AutoCAD 2006. Экспресс-курс. – СПб.: БХВ – Петербург, 2005. – 432с.
- Потемкин А.Е. Твердотельное моделирование в системе КОМПАС-3D. - СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 512с.
- Уваров А.С. P-CAD. Проектирование и конструирование электронных устройств. – М.: «Горячая линия –Телеком», 2004. – 760с.
- Современные технологии автоматизации. М.: СТА-ПРЕСС. №4/97 - №4/05.
- Фаронов В.В. Система программирования Delphi. – СПб.: БХВ – Петербург, 2005. – 912с.
- Delphi 2005. Секреты программирования ( CD). – СПб.: Питер, 2006. – 256с.